Виорель Ломов - 100 великих научных достижений России

• Название: 100 великих научных достижений России
• Автор: Виорель Ломов
• Жанр: Прочая научная литература

Давно признаны во всем мире достижения российской науки. Химия, физика, биология, геология, география, астрономия, математика, медицина, космонавтика, механика, машиностроение… – не перечислить всех отраслей знания, где первенствуют имена российских ученых.

Что такое математический анализ Л. Эйлера? Каковы заслуги Н.И. Лобачевского в геометрии? Какова теория вероятности А.Н. Колмогорова? Как создавал синтетический каучук С.В. Лебедев? Какое почвоведение разработано В.В. Докучаевым? Какую лунную трассу создал Ю.В. Кондратюк? Над какими атомными проектами работал А.П. Александров? На эти и другие вопросы отвечает очередная книга серии «100 великих».

---

В 1833 г. ученый представил Петербургской АН доклад «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией», в котором указал на различное толкование Фарадеем индуцируемых токов в случае вольта-электрической и в случае магнитоэлектрической индукции и объявил, что в обоих случаях действует один и тот же индукционный процесс, подчиняющийся общему правилу: «Если металлический проводник движется поблизости от гальванического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что если бы данный проводник был неподвижным, то ток мог бы обусловить его перемещение в противоположную сторону; при этом предполагается, что покоящийся проводник может перемещаться только в направлении движения или в противоположном направлении».

Теоретические выкладки подкреплялись блестящими экспериментами, показывающими, что индукционный ток всегда противодействует изменению, порождающему его. С тех пор правило Ленца, предписывая направление движения индукционного тока, действует в электромагнитной индукции, как правила уличного движения на городских улицах.

Выводя свое правило, Ленц впервые обосновал и справедливость закона сохранения и превращения энергии при взаимных превращениях механической и электромагнитной энергии. Перемещая магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника, ученый показал, что механическая энергия этого перемещения превращается в электромагнитную энергию тока индукции. «Работа перемещения первого проводника превращается в электрическую энергию во втором проводнике», – заметил физик. Закон сохранения и превращения энергии в его современном виде был открыт лишь через восемь лет после доклада Ленца немецким физиком Р. Майером.

Работы Ленца в этом направлении позволили ему впервые сформулировать в 1833 г. фундаментальный принцип обратимости электрических машин. Экспериментально доказав обратимость генераторного и двигательного режимов электрических машин, физик совершил настоящий переворот в развитии электротехники.

Не менее значительны исследования Ленцем теплового действия электрического тока. В 1832 г. ученый впервые обратил внимание на изменение проводимости нагреваемых металлических проводников. Сконструировав прибор для измерения количества тепла, выделяемого при прохождении тока в платиновой проволоке, ученый провел большую серию опытов, позволивших ему сформулировать в 1843 г. новый закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока: «Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока». Как уже было сказано, Джоуль, проводя аналогичные эксперименты, выполнил гораздо меньше измерений и пользовался менее точным прибором. Научное сообщество не стало мелочиться и отдало приоритет в открытии закона обоим ученым.

Закон Джоуля – Ленца определяет количество тепла Q , выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока: Q пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока  I в цепи и времени прохождения тока t:

Q = aI2Rt,

где а – коэффициент пропорциональности, зависящий от выбранных единиц измерения.

Сфера применения закона обширна. На нем основан расчет всех электрических цепей и электронных схем, электроосветительных установок, нагревательных и отопительных электроприборов.

Согласно закону, для уменьшения тепловых потерь в линиях электропередач повышают передаваемое напряжение, что снижает силу тока, а значит, и нагрев провода. Чтобы проводник чрезмерно не разогревался и не стал источником пожара, ввели нормы расчета сечений проводов.

На принципе разогрева проводника при увеличении его электрического сопротивления устроены все электронагревательные приборы, нагревательные элементы которых изготавливают из специальных тугоплавких сплавов с высоким удельным сопротивлением (нихром, константан) и по возможности большой длины и малого сечения провода.

Для защиты электрических цепей от протекания токов высокой силы используют электрические (плавкие) одноразовые предохранители относительно малого сечения из легкоплавкого сплава. При перегрузке в сети и при коротком замыкании тока эти проводники расплавляются и размыкают цепь, предохраняя ее от перегрева и возгорания.

ПОТОК ЭНЕРГИИ УМОВА

Физик, философ, педагог, лектор, пропагандист, популяризатор науки, общественный деятель; профессор Новороссийского и Московского университетов, Московского технического училища; почетный доктор Глазговского университета; основатель (совместно с П.Н. Лебедевым) Физического института при Московском университете; президент Московского общества испытателей природы, председатель Московского педагогического общества, товарищ председателя Общества содействия успехам опытных наук и практических применений им. Х.С. Леденцова; издатель и главный редактор журнала «Научное слово», Николай Алексеевич Умов (1846–1915) является автором учения о движении энергии в телах, базового понятия в новейшей физике – потока энергии, т. н. вектора Умова. Умов – первооткрыватель классической формулы общего уравнения движения энергии.

Человечество с каждым годом все больше нуждается в энергии – механической, тепловой, химической, электрической, ядерной. Все эти формы энергии, трансформируясь друг в друга, дают совокупность энергетических процессов, без которых не обойтись ни обывателям, ни ученым. Последних всегда интересовал вопрос – каким образом происходит эта трансформация и как повысить ее КПД? Схематично это выглядит так. В замкнутый объем через поверхность поступает первичная энергия, а затем выходит преобразованная (разумеется, в рамках закона сохранения энергии). Плотность потока энергии (Su) при этом ограничена физическими свойствами среды, через которую она течет. Этот термин – плотность потока энергии – ввел в начале 1870-х гг. русский физик Н.А. Умов, опубликовавший несколько работ о движении энергии, в которых развил представления о плотности энергии в данной точке среды, скорости и направлении движения энергии, о локализации потока энергии в пространстве.

Н.А. Умов

Ученый составил дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидких телах, интегрируя которые и применяя к распространению волн в упругой среде, пришел к заключению, что энергия целиком переносится волной от одной точки к другой. «Количество энергии, проходящей через элемент поверхности тела в единицу времени, равно силе давления или натяжения, действующей на этот элемент, умноженной на скорость движения элемента» – этот вывод называется теоремой Умова. Уравнение непрерывности в свободном пространстве для движущихся упругих сред и вязких жидкостей имеет вид:

где Su = wv; w – плотность энергии; v – скорость движения среды.

После защиты ученым в 1874 г. докторской диссертации «Уравнения движения энергии в телах» Su принято называть в нашей стране вектором Умова.

В 1884 г. английский физик Д. Пойнтинг, независимо от Умова и ничего не зная о трудах русского ученого, получил подобное выражение для частного случая – электромагнитного поля (поперечных электромагнитных волн). На Западе без особых рефлексий вектор Умова переименовали в вектор Пойнтинга ( Sp ):

Sp = [E × H];

E и H – напряженности электрического и магнитного полей.

Сам Умов, кстати, отмечал, что его выводы применимы и в электромагнитных полях.

Необходимо различать принципиальную разницу между этими понятиями – Su и Sp . Вектор Пойнтинга можно рассматривать только применительно к электромагнитным полям, тогда как вектор Умова применим ко всем силовым полям без исключения, поскольку сами уравнения движения энергии получены Умовым для движения любого вида энергии, происходящего в любой среде, то есть носят самый общий характер.

Не прибегая к выкладкам, заметим еще, что вектор Умова Su описывает конвективный перенос энергии из одной точки пространства в другую, в частности полем движущегося заряда; а вектор Пойнтинга связан лишь с переносом энергии электромагнитными волнами.

Труды Умова своей математической сложностью представляли «крепкий орешек» для российских и зарубежных коллег Николая Алексеевича. Утверждали даже, что они «лишены какого бы то ни было научного смысла и представляют собой… простой набор математических формул». Раскусили их не сразу, но, раскусив, буквально растащили на цитаты, при этом не всегда озвучивая автора.

Так было и в других случаях. Когда Умов показал свою блестящую работу «О стационарном движении электричества на проводящих поверхностях произвольного вида» немецкому физику Г. Кирхгофу, тот тут же умыкнул главные положения этого исследования и опубликовал их под своим именем (не забыв, правда, упомянуть и русского ученого). Фактически то же самое произошло и со знаменитой формулой E = mc2 , которую русский физик получил лет за тридцать до А. Эйнштейна – опять же как общий случай для волновых процессов в упругих средах. (Умов вывел соотношение между энергией волновых полей и их инерцией: dE = c2dm ).